Molécules biologiques

Les êtres vivants sont constitués de quatre grandes familles de molécules 分子 : les glucides 碳水化合物, les lipides 脂质, les protéines 蛋白质 et les lishés 核酸. Vous pouvez utiliser des tests chimiques simples pour déterminer quelles catégories sont présentes dans un échantillon.

Test semi-quantitatif de Benedict

Le test normal de Benedict indique uniquement "oui ou non". Un test semi-quantitatif 半定量 donne une approximation de la quantité. D'abord, vous standardisez 标准化 le test : vous l'effectuez sur des solutions de concentration 浓度 connues et enregistrez le résultat pour chacune. Ensuite, vous pouvez estimer une concentration inconnue soit par :

• le temps avant le premier changement de couleur (plus de sucre change de couleur plus vite), ou
• la comparaison de la couleur finale avec votre série d'étalons colorimétriques.

Tests de sucres non réducteurs

Certains sucres, comme le saccharose, sont des sucres non réducteurs 非还原糖 : ils donnent un test de Benedict négatif. Pour les détecter :

1. Faites d'abord un test normal de Benedict. Il reste bleu (pas de sucre réducteur).
2. Prenez un nouvel échantillon et ajoutez de l'acide chlorhydrique dilué 盐酸, puis chauffez. Cette hydrolyse acide décompose le sucre en sucres réducteurs plus petits.
3. Refroidissez, puis neutralisez 中和 l'acide avec du bicarbonate de sodium.
4. Effectuez maintenant le test de Benedict à nouveau. Une couleur rouge brique indique la présence d'un sucre non réducteur.

Exemple résolu. Une solution donne un test de Benedict négatif. Elle est ensuite bouillie avec de l'acide chlorhydrique dilué, neutralisée avec du bicarbonate de sodium, et re-testée avec le réactif de Benedict — elle devient alors brique-rouge. Qu'y avait-il, et pourquoi chaque étape est-elle nécessaire ? Le premier résultat négatif élimine la présence d'un sucre réducteur. La bouillie avec l'acide hydrolyse la liaison glycosidique, scindant un sucre non réducteur tel que le saccharose en ses monosaccharides réducteurs. L'étape de neutralisation est essentielle car le réactif de Benedict ne fonctionne qu'en milieu alcalin — si on l'omet, le test échoue même si du sucre est présent. Le test positif qui suit indique donc qu'un sucre non réducteur était bien là tout au long. Citer le premier, négatif test fait partie de la réponse : sans lui, la couleur rouge finale ne permet pas de distinguer un sucre non réducteur d'un sucre réducteur.

Monomères, polymères et macromolécules

• non monomère 单体 is a small molecule that is a single unit.
• non polymère 聚合物 is a long molecule made of many monomers joined together.
• une macromolécule 大分子 is any very large molecule.

Les sucres se présentent en trois tailles :

• non monosaccharide 单糖 is a single sugar unit, such as glucose 葡萄糖 and fructose.
• non disaccharide 二糖 is two units joined, such as maltose and sucrose.
• non polysaccharide 多糖 is many units joined into a polymer.

Le glucose, la fructose 果糖 et le maltose 麦芽糖 sont des sucres réducteurs. Le sucrose 蔗糖 est un sucre non réducteur.

Deux formes cycliques du glucose

Le glucose possède six atomes de carbone et forme un anneau. Il existe deux formes cycliques. Elles diffèrent uniquement au niveau du carbone 1 :

• dans l'α-glucose, le groupe –OH sur le carbone 1 pointe vers le bas, sous l'anneau.
• dans le β-glucose, le groupe –OH sur le carbone 1 pointe vers le haut, au-dessus de l'anneau.

Cette petite différence détermine quel polysaccharide le glucose peut former.

Joining and breaking sugars

Les monomères sont reliés par de fortes liaisons covalentes. Lorsque deux sucres se joignent, une liaison glycosidique se forme entre eux. Cela se produit par condensation : une molécule d'eau est retirée à chaque fois qu'une liaison se forme.

L'inverse est l'hydrolyse 水解 : une molécule d'eau est ajoutée pour rompre une liaison glycosidique. C'est pourquoi le test des sucres non réducteurs nécessite de l'acide et de la chaleur — ils hydrolysent le saccharose en glucose et fructose.

Storage polysaccharides: starch and glycogen

L'amidon est le réservoir d'énergie dans les plantes. Il est composé de deux polymères d'α-glucose :

• l'amylose — une longue chaîne non ramifiée qui s'enroule en spirale.
• amylopectin 支链淀粉 — a chain with many side branches.

Le glycogène est le réservoir d'énergie chez les animaux. Il ressemble à l'amylopectine mais possède encore plus de ramifications, ce qui permet une dégradation rapide lorsque l'énergie est nécessaire.

Ces réservoirs conviennent bien à leur fonction : ils sont compacts, ils sont insolubles 不溶 (donc ils ne quittent pas la cellule), et ils ne modifient pas le potentiel hydrique 水势 de la cellule (donc ils n'attirent pas l'eau par osmose 渗透). Les nombreuses ramifications offrent de nombreuses extrémités, permettant d'ajouter ou de retirer du glucose rapidement.

Cellulose

La cellulose 纤维素 est faite de β-glucose. En raison de la forme β, chaque autre glucose est retourné, de sorte que les chaînes sont longues et droites. De nombreuses chaînes droites sont alignées côte à côte et maintenues ensemble par des liaisons hydrogène 氢键 en faisceaux solides appelés microfibrilles 微纤丝. Celles-ci donnent à la paroi cellulaire 细胞壁 végétale sa résistance et empêchent la cellule d'éclater.

Triglycérides

Un triglycéride 甘油三酯 est le principal gras ou huile. Il est non polaire 非极性 et hydrophobe 疏水 (il ne se mélange pas à l'eau). Il est composé d'une molécule de glycérol 甘油 liée à trois acides gras 脂肪酸 par des liaisons ester 酯键. Chaque liaison ester se forme par condensation, ce qui entraîne la suppression de trois molécules d'eau.

Fatty acids are of two kinds:

• saturé — pas de doubles liaisons carbone-carbone ; ces graisses sont généralement solides.
• insaturé — une ou plusieurs doubles liaisons ; ces huiles sont généralement liquides.

Les triglycérides constituent un bon stockage d'énergie à long terme : ils libèrent environ deux fois plus d'énergie par gramme que les glucides, ils sont insolubles et stockent peu de masse supplémentaire car ils ne contiennent pas d'eau. Sous la peau, ils offrent également une isolation 隔热 et protègent les organes.

Phospholipides

Un phospholipide 磷脂 est semblable à un triglycéride, mais un acide gras est remplacé par un groupe phosphate 磷酸. Cela confère à la molécule deux extrémités aux comportements différents :

• une tête phosphate 极性 hydrophilic 亲水 (« qui aime l'eau ») polaire.
• deux queues d'acides gras hydrophobes (« qui craignent l'eau »).

Cette double nature explique pourquoi les phospholipides forment les membranes autour des cellules.

Acides aminés et liaison peptidique

Les protéines sont des polymères d'acides aminés 氨基酸. Chaque acide aminé a la même structure générale autour d'un atome de carbone central : un groupe amino 氨基 (–NH₂), un groupe carboxyle 羧基 (–COOH), un atome d'hydrogène, et une chaîne latérale 侧chain variable (le groupe R). Le groupe R est différent dans chaque acide aminé.

Deux acides aminés se rejoignent par condensation. La liaison formée entre le groupe amino de l'un et le groupe carboxyle du suivant est une liaison peptidique 肽键, et une molécule d'eau est éliminée. De nombreux acides aminés joints ainsi forment un polypeptide 多肽. L'ajout d'eau (hydrolyse) rompt une liaison peptidique.

Quatre niveaux de structure protéique

La forme repliée est maintenue par quatre types d'interactions entre les groupes R :

• interactions hydrophobes 疏水作用 (les groupes R non polaires s'agglomèrent à l'écart de l'eau).
• liaisons hydrogène.
• liaisons ioniques 离子键 (entre les groupes R chargés).
• liaisons covalentes, y compris les solides liaisons disulfure 二硫键.

Protéines globulaires et fibreuse

• les protéines globulaires 球状蛋白质 se replient en forme arrondie, sont généralement solubles 可溶, et remplissent des fonctions dans l'organisme (par exemple, enzymes et hémoglobine).
• les protéines fibreuses 纤维状蛋白质 forment de longs filaments, sont généralement insolubles, et assurent la structure et le soutien (par exemple, collagène).

Hémoglobine — une protéine globulaire

L'hémoglobine 血红蛋白 transporte l'oxygène 氧气 dans les globules rouges. Elle possède une structure quaternaire composée de quatre chaînes polypeptidiques : deux chaînes alpha (α-globine) et deux chaînes bêta (β-globine). Chaque chaîne contient un groupe hème 血红素. Au centre de chaque groupe hème se trouve un atome de fer 铁, et c'est là qu'une molécule d'oxygène se lie. Quatre chaînes signifient qu'une molécule d'hémoglobine peut transporter quatre molécules d'oxygène.

Collagène — une protéine fibreuse

Collagène 胶原蛋白 donne de la force à la peau, aux tendons 肌腱, aux os et aux parois des vaisseaux sanguins. Une molécule de collagène est constituée de trois chaînes polypeptidiques enroulées étroitement les unes autour des autres sous forme de triple hélice, maintenues par des liaisons hydrogène. De nombreuses molécules sont disposées côte à côte, légèrement décalées, et réticulées pour former des fibres 纤维 épaisses. Ce mode d'organisation décalé et réticulé confère au collagène une grande résistance lorsqu'il est soumis à une tension.

L'eau est une petite molécule, mais ses deux liaisons O–H sont polaires : l'extrémité oxygène est légèrement négative et les extrémités hydrogène sont légèrement positives. Ainsi, une molécule d'eau attire ses voisines, formant de faibles liaisons hydrogène entre elles. Ces liaisons hydrogène expliquent les propriétés utiles de l'eau :

• action solvant — l'eau est un bon solvant 溶剂, de sorte que de nombreuses substances s'y dissolvent. Cela permet aux réactions de se produire et au transport des substances dans l'organisme.
• capacité thermique massique élevée 比热容 — l'eau nécessite beaucoup d'énergie pour chauffer, ce qui maintient sa température stable. Cela protège les êtres vivants contre les variations rapides de température.
• chaleur latente de vaporisation 汽化潜热 — l'eau nécessite beaucoup d'énergie pour s'évaporer 蒸发. Lors de son évaporation (par exemple lorsque la transpiration sèche), elle emporte une grande quantité de chaleur et refroidit le corps.

• Apprendre chaque test alimentaire selon le réactif + résultat positif + changement de couleur (Benedict → brique rouge ; iode → bleu-noir ; biuret → violet ; émulsion → blanc).
• Le réactif de Benedict détecte les sucres réducteurs ; pour un sucre non réducteur, il faut d'abord hydrolyser avec un acide, puis tester à nouveau.
• Nommer précisément la liaison : glycosidique (glucides), ester (lipides), peptidique (protéines) — toutes formées par condensation (élimination d'eau).
• Relier structure et fonction : cellulose (chaînes droites, liaisons H → solide), glycogène/amidon (ramifié/enroulé → stockage compact).
• Pour les protéines, nommer la liaison à chaque niveau : primaire (peptidique), secondaire (hydrogène), tertiaire (interactions des groupes R), quaternaire.